Способы обработки металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

26. Классификация процессов обработки давлением

Способы обработки металлов давлением по производственному назначению разделяют на два вида:

- металлургические, предназначенные для получения заготовок постоянного поперечного сечения (прутков, проволоки, листов и др.),; основными металлургическими способами обработки давлением являются прокатка, волочение и прессование;

- машиностроительные, предназначенные для получения деталей или заготовок, имеющих форму и размеры, приближенные к форме и размерам деталей; являются ковка и штамповка.

Прокатка (а) заключается в обжатии заготовки 2 между вращающимися валками 1.

Волочение (в) заключается в протягивании заготовки 2 через сужающуюся полость матрицы 1; площадь поперечного сечения заготовки при этом уменьшается и получает форму поперечного сечения отверстия матрицы.

Прессование (б) заключается в продавливании заготовки 2, находящейся в замкнутой форме 3, через отверстие матрицы 1.

Ковкой изменяют форму и размеры заготовки 2 путем последовательного воздействия универсальными инструментами 1 на отдельные участки заготовки.

Штамповкой изменяют форму и размеры заготовки с помощью специализированного инструмента - штампа.

Листовой штамповкой (рис. 3.1, е) получают плоские и пространственные детали из заготовок, у которых толщина значительно меньше размеров в плане (лист, лента, полоса). Обычно заготовка деформируется с помощью пуансона 1 и матрицы 2.

Деформациями называют изменения формы или размеров тела (или части тела) под действием внешних сил, а также при нагревании или охлаждении и других воздействиях, вызывающих изменение относительного положения частиц тела.

Простейшие схемы деформирования - растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб.

27. Упругая и пластическая деформация. Механизмы пластической деформации

Деформация (искажение) -- изменение относительного положения частиц тела, связанное с их перемещением. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил, мерой которого является упругое напряжение.

Деформации разделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил. Под воздействием приложенных из вне нагрузок металлы могут деформироваться в упругой области (без остаточных явлений), а именно без изменения размеров и деформироваться пластически, когда изменяется форма и размеры деформируемого металла.

Упругая деформация характеризуется двумя модулями: модуль Гука (модуль нормальной упругости) и модуль Юнга (модуль касательной упругости). В модуле Гука атомы стремятся по нормали, во втором случае - по касательной.

Естественно, учитывая силы межатомного взаимодействия, модуль Гука будет в несколько раз больше модуля Юнга и они не являются структурно-чувствительными свойствами.

Пластическая деформация может проходить по двум механизмам: скольжения и двойникования.

При реализации механизма скольжения часть кристалла смещается по отношению к другой под воздействием напряжений, превышающих критическую величину.

Причем это скольжение осуществляется по так называемым плоскостям скольжения. Каковыми являются плоскости наиболее упакованные атомами.

Деформация по механизму двойникования заключается в смещении одной части кристаллов в зеркальное отражение по отношению к другой по, так называемым, плоскостям двойникования. Точнее в этом случае смещение происходит за счет разворота части кристаллической решетки.

Деформация двойникования также как и скольжения осуществляется при прохождении дислокации через кристалл. Практически любой металл деформируется сразу по двум механизмам с преобладанием какого-либо одного.

28. Понятие о наклепе, текстуре деформации и анизотропии механических свойств

Упрочнение Ме при деформировании наз-ют наклепом. Наклеп Ме увел-ся до момента разрыва образца, хотя растягивающ нагрузка изменяется от Рmax до Рк. Это объясняется появлением местного утонения в образце участки в которых сосредотачив. пластич. деформация. При значительности деформации в Ме появляется кристаллографическая ориентация зерен, кот наз-ся текстура деформации.Текстура деформации - это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования, кристалич стр-ры Ме, наличия примесей и условий деформирования. При прокатке получ-ся более сложная текстура. В этом случае параллельно плоскости прокатки лежит кристаллогафич пл-ть и направление которой образует с напрвлением прокатки опред угол . Текстура деформации делает Ме анизотропным. Анизотропия - различие св-в кристаллов в различн направлениях.. Анизотропия резче выражена в кристаллах с несиметричной крист решеткой. В этом случае зависит от направления натл-ся для всех св-св.

Наклёп - это совокупность структурных изменений и связанных с ними св-в при холодной пластичной деформации.

При холодной пластической деформации прочностные хар-ки (твёрдость, предел прочности и растяжений) увеличиваются в 2-3 раза, тогда как хар-ки пластичности (относит. удлинение, относит. сужение) снижаются 30-40 раз.

Упрочнение металлов при холодной пластической деф-ции обусловлена увелич. дефектов кристаллич. решётки (вакансий, дислакаций), увеличением числа дислокаций одного знака, а также увеличением угла разориентации м/у блоками.

Пластическая деф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма, металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.

29. Влияние нагрева на структуру и св-ва холоднодеформированного металла

Пластическая деф-ция приводит к переводу металлов в неравновесное состояние, т.е. с повышенным запасом свободной энергии. Как и любая другая сис-ма, металл стремиться к уменьшению свободной энергии. Это уменьшение протекает тем интенсивнее, чем выше тем-ра. В зав-ти от тем-ры отжига различают процессы возврата и процессы рекристаллизации.

Возврат.

Возврат явл-ся самой низкой температурной обработкой позволяющей воздействовать на структурные состояния деформированного металла. Различают две стадии возврата: низкотемпературную (отдых) и высокотемпературную. (полигонизация).

В процессе отдыха происходит перераспределение точечных дефектов. Перемещаются по кристаллу и дислокации, однако эти перемещения носят локальный хар-р. Дислокации различного знака встречаясь друг с другом взаимоуничтожаются. Дислокации перемещ-ся хаотич. по объёму кристалла. Под воздействием тем-ры дислокации перемещаясь концентрир-ся в определённых участках стр-ры с образованием стенок и т.наз. полигонов.После полигонизации происходит некоторый возврат св-в к св-вам металла до деф-ции.

Рекристаллизация.

После достижения опред. тем-р происходит изменение уже на микроскопическом уровне. Под микроскопом на фоне вытянутых зёрен можно наблюдать мелкие зёрна равноосной формы. По мере увеличения длительности отжига или повышении тем-ры происходит рост мелких зёрен за счёт вытянутых деформируемых зёрен. Образование и рост новых зёрен за счёт деформированных зёрен той же фазы наз-сяпервичной рекристаллизацией

При дальнейшем увелич. тем-ры и длительности отжига происходит «поедание» одними зёрнами других зёрен. Следствием явл-ся разнозёренность стр-р. В пределе можно достичь того, что стр-ра металла будет состоять только из очень крупных зёрен. Это так наз.собирательная рекристаллизация. Тем-ра начала рекристаллиз. не явл-ся постоянной физ. величиной как, например, тем-ра плавления металла. Тем-ра начала рекристаллиз. будет зависеть от степени предварительной деф-ции металла, длительности процесса и ряда др. факторов.

Тем-ра рекристаллиз. для чистых металлов м.б. рассчитана исходя из соотношения предложенного Бочваром А.А.: Tp=aTпл, а=0,2…0,6.

Отжиг, обеспечивающий получение рекристаллиз. стр-ры после холодной пластической деформации наз-ся рекристаллизационнымотжигом.

От размера зерна вообще и после рекристаллиз отжига в частности зависят св-ва металла. Чем мельче зерно, тем выше механические св-ва. Чем крупнее зерно, тем ниже мех-кие св-ва, но выше магн. или электр. св-ва. Поэтому, например, трансформаторную сталь после холодной деф-ции подвергают рекрист. отжигу с тем, чтобы как можно больший размер зерна можно было получить. Холодная и горячая деформация. Холодная деф. проводиться при тем-рах ниже тем-ры рекристаллиз. и сопровождается наклёпом (наготовка). Гор. деф. провод-ся при тем-рах выше тем-ры рекристаллиз. При горячей деф. наклёп не происходит поскольку этот наклёп сразу устраняется рекристаллизацией.

30. Сверхпластичность металлов и сплавов

Под сверхпластичностью понимают способность металла к незначительной пластической деформации (=102-103%) в определенных условиях при одновременно малом сопротивлении деформированию (10° -- 101 МПа). Существуют следующие разновидности сверхпластичности. 1. Структурная, которая проявляется при температурах > 0,5 Тпл в металлах и сплавах с величиной зерна от 0,5 до 10 мкм и небольших скоростях деформации (10-5 -- 10-1 с-1).

2. Субкритическая (Сверхпластичность превращения), наблюдающаяся вблизи начала фазовых превращений, например, полиморфных.

Наиболее перспективен процесс структурной сверхпластичности. Сверхпластичность не является свойством каких-то особых сплавов и при соответствующей подготовке структуры и в определенных условиях деформации проявляется у большого числа сплавов, обрабатываемых давлением. Сверхпластичность может иметь место лишь при условии, когда в процессе деформации (растяжения образца) не образуется локальной деформации. Высокое сопротивление образованию шейки при растяжении образца в условиях сверхпластичности связано с большой чувствительностью напряжения течения а к изменению скорости деформации. Для идеально вязких (ньютоновских) твердых тел т = 1 и удлинение не должно сопровождаться образованием шейки. Когда при сверхпластической деформации начинается образование шейки, в этом участке образца возрастает и из-за высокого значения т увеличивается сопротивление течению а, благодаря чему образование шейки прекращается. Этот процесс непрерывно повторяется, приводя к образованию так называемой бегущей шейки (размытых шеек), когда она перемещается по длине образца, не давая локализованного сжатия. Проблема создания промышленного структурного сверхпластичного материала -- это прежде всего получение ультрамелкого равноосного зерна и сохранение его при сверхпластической деформации. Стабилизация размеров зерна достигается: 1) применением двухфазных сплавов с объемным соотношением фаз 1:1; 2)использованием дисперсных выделений, являющихся барьером для перемещения границ зерен.

Явление сверхпластичности в промышленности используют при объемной изотермической штамповке и при пневмоформовке. Сверхпластичность позволяет в процессе штамповки за одну операцию получить детали сложной формы, повысить коэффициент использования металла, уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделий. Недостатком является необходимость нагрева штампов до температуры обработки и малая скорость деформаций.

32. Нагрев металлов перед обработкой давлением. Назначение, выбор температурного интервала обработки металлов давлением

С повышением температуры в процессе пластического деформирования металла увеличиваются значения максимального относительного удлинения и максимально достижимых деформаций, а сопротивление деформированию уменьшается. Таким образом, если нагреть сталь до температуры до 1100+-50 град, то можно достичь большего формоизменения при меньшей приложенной силе. Однако если нагреть до температуры, близкой к температуре плавления, наступает пережог, выражающийся в появлении хрупкой пленки между зернами металла вследствие окисления их границ. Пережог исправить нельзя. Ниже зоны температур пережога находиться зона температур перегрева. Явление перегрева заключается в резком росте размеров зерен. Максимальную температуру нагрева, т.е. температуру начала горячей обработки давлением, следует назначать такой, чтобы не было пережога и перегрева. Заканчивать горячую обработку давлением следует также при вполне определенной температуре, ниже которой пластичность вследствие упрочнения падает и в изделии возможно образование трещин.

Печи для нагрева заготовок подразделяются на пламенные и электрические, а по распределению температуры - на камерные и методические. В камерных печах - печах периодического нагрева - температура одинакова по всему рабочему пространству. В печах с непрерывной загрузкой, называемых методическими, заготовки в процессе нагрева передвигаются от окна загрузки к окну выгрузки.

Основные требования к нагреву: необходим равномерный прогрев заготовки по сечению и длине до соответствующей температуры за минимальное время с наименьшей потерей металла в окалину и экономным расходом топлива. Неправильный нагрев вызывает различныедефекты: трещины, обезуглероживание, повышенное окисление, перегрев и пережог.

Так, например, для углеродистых сталей температуру начала горячего деформирования выбирают по диаграмме состояния железо-цементит на 100 - 200 °С ниже температуры плавления стали заданного химического состава, а температуру конца деформирования принимают на 50 - 100 °С выше температуры рекристаллизации.

33. Прокатка. Сущность, способы, условия захвата металла

Прокатка представляет собой механическую обработку металлов путем обжатия между вращающимися валками прокатного стана с целью уменьшения сечения прокатываемого слитка или заготовки и придания им заданной формы (профиля).

Прокатке подвергают до 90% всей выплавляемой стали и большую часть цветных металлов.

По расположению валков различают прокатку продольную, поперечную или винтовую (рис. 3.16 ).

Деформацию заготовки обычно определяют относительным обжатием, % :

%

При винтовой прокатке вследствие косого расположения валков металлу, кроме вращательного, придаётся ещё поступательное движение в направлении его оси.

Поперечная прокатка применяется для обработки зубьев шестерён и некоторых других деталей, поперечно-винтовая -- в производстве цельнокатаных труб, шаров, осей и других тел вращения.

Продольно-винтовая прокатка находит применение при производстве свёрл.

Прокатка может быть горячей (с предварительным подогревом прокатываемого металла до гомологических температур 0,7-0,9)теплой (с подогревом прокатываемого металла до гомологических температур 0,4-0,5) или холодной (без подогрева прокатываемого металла). Основная часть проката (заготовка, сортовой и листовой металл, трубы, шары и т. д.) производится горячей прокаткой.

Холодная прокатка применяется, главным образом, для производства листов и ленты толщиной менее 6 мм

Теплая прокатка в отличие от холодной выполняется при несколько повышенной температуре с целью снижения упрочнения (наклёпа) и повышения пластичности металла при его деформации.

Условие захвата металла валками. Для начала процесса прокатки необходимо, чтобы соблюдалось определенное соотношение между толщиной (высотой) исходной заготовки, поступающей в валки, величиной зазора между валками и диаметром валков. Это соотношение устанавливается условием захвата.

Для осуществления захвата металла валками необходимо, чтобы проекция равнодействующей силы R на ось х была направлена в сторону движения заготовки (рис. 3.26).

Рис. 3.26 Схема сил, характеризующая условие захвата заготовки при продольной прокатке

В соответствии со схемой сил, представленной на рис. 3.26, для этого необходимо чтобы угол захвата был меньше угла трения :

Однако при этом нежелательно, чтобы угол захвата был существенно меньше угла трения, так как при этом снижается эффективность прокатки, увеличивается число необходимых проходов, ухудшаются экономические показатели. В связи с этим равнодействующая силдолжна быть направлена близко к плоскости, проходящей через оси валков, т.е. почти вертикально.

Улучшение условий захвата при прокатке обеспечивается: при черновых обжимных операциях прокатки наплавкой сварных валиков для повышения коэффициента трения; применением слитков пирамидальной формы (в виде клина) - для уменьшения углов захвата в начальный момент прокатки; увеличением диаметра валков.

металл давление наклеп деформация

34. Продукция прокатного производства

Продукцией прокатного производства являются полосы, листы, трубы, прутки различного профиля (круглого, квадратного, прямоугольного, шестигранного, углового, двутаврового, швеллерного, таврового и др.), железнодорожные и трамвайные рельсы, колеса, шары, кольца и др. (рис. 3.19).

Прокаткой получают длинномерные изделия, различающиеся формой поперечного сечения, т. е. профилем. Группы профилей, различающиеся формой и размерами, называют сортаментом.

Все типы машиностроительных профилей, получаемых прокаткой, можно разделить на пять групп:

- сортовые профили простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и фасонные (швеллер, рельс, тавр и т. д.);

- листовой металл, который подразделяется на тонколистовой (толщиной менее 4 мм) и толстолистовой (толщиной 4-160 мм);

- трубы, бесшовные (диаметром 51-650 мм) или сварные (диаметром 10-2200 мм);

- специальные виды проката (колеса, шары, бандажи и др.);

- профили, имеющие периодически изменяющиеся форму и площадь поперечного сечения вдоль оси заготовки. Их применяют в качестве фасонных заготовок для последующей штамповки или механической обработки.

35. Инструмент для прокатки металлов

Инструментом для прокатки являются валки (рис. 3.22).

Прокатный валок имеет рабочую часть 1, называемую бочкой, шейки 2, опирающиеся на подшипники станины клети, и трефы 3. Сечение треф имеет форму крестовин или квадратов для передачи крутящего момента. Бочка валка может быть гладкой (при прокатке листов) или ручьевой (рис. 3.22, б) для получения сортового проката.

Рис. 3.22 Прокатные валки: а) гладкий валок для листа; б) ручьевой валок для сортового проката: 1 - бочка, 2 - шейки, 3 - трефы; в) калибры ручьевого прокатного валка: открытый и закрытый

Ручьем называют кольцевой вырез на боковой поверхности валка (рис. 3.22, б). Ручьи верхнего и нижнего валка образуют калибры (рис. 3.22, в). Калибр называют открытым, если линия раздела проходит по оси симметрии, параллельной оси валков, и закрытым, если линия раздела является ломаной и смещенной на одну из границ калибра.

Кроме рабочих валков, непосредственно осуществляющих деформацию металла, в прокатных станах часто используются также опорные валки. Это позволяет применять рабочие валки меньшего диаметра, благодаря чему снижается усилие деформирования.

36. Оборудование для прокатки металлов

Прокатка металла, а также вспомогательные операции (транспортирование исходной продукции со склада к нагревательным печам и к валкам стана, передвижение металла в процессе прокатки, кантовка полос металла, правка, резка их на части, маркировка или клеймение, сматывание в бунты или рулоны, упаковка, передача на склад готовой продукции) осуществляются с помощью системы машин и агрегатов, называемой прокатным станом (рис. 3.20).

Рис. 3.20 Схема устройства прокатного стана: 1- электродвигатель, 2 - упругая муфта, 3 - редуктор, 4 - главная муфта, 5 - шестеренная клеть, 6 - шпиндели, 8 - рабочие валки

Основной частью прокатного стана является рабочая клеть. В подшипниках станины рабочей клети вращаются рабочие валки 8. Подшипники верхнего валка могут перемещаться специальным нажимным устройством для изменения расстояния между валками и регулирования взаимного расположения их осей. Вращение валкам передается от электродвигателя 1 через упругую муфту 2, редуктор 3, главную муфту 4, шестеренную клеть 5 и шпиндели 6.

Для соединения шпинделей с прокатными валками рабочей клети и валами шестеренной клети служат соединительные трефовые муфты.

По числу и расположению валков- 2х, 4х, 6, 12, 20 волковые. Рабочих только 2, остальные поддерживающие, чтобы не прогибались рабочие волки.

По числу и расположению рабочих клетей--1 клетьевые, многоклетевые. Многоклетевые могут располагаться линейно: выйдя из 1 клети входить во 2 клеть.

Непрерывно:не выйдя из 1 клети войти во 2.

Ступенчатое: часть по линейному расположению, а часть по непрерывному расположению.

По назначению прокатные станы подразделяют на 5 типов: 1) обжимные и заготовочные (блюминги, слябинги (4х волковый стан, заготовочные сортовые, трубозаготовочные); 2) сортовые (рельсобалочные, крупно-, средне- и мелкосортовые, проволочные); 3) листовые горячей прокатки (толстолистовые, широкополосовые, тонколистовые) и холодной прокатки (листовые, лентопрокатные, фольгопрокатные, плющильные); 4) трубопрокатные; 5) специальные (колесопрокатные, кольце- и бандажепрокатные, шаропрокатные, для профилей переменного сечения, для зубчатых колес и др.)

Блюминг - это высокопроизводительный прокатный стан для обжатия стальных заготовок большого сечения массой от 1 до 12 т в стальные заготовки квадратного сечения со стороной свыше 140 мм до 450х450 длиной до 6 м, предназначенные для дальнейшей прокатки.

Размещено на Allbest.ru